Кристалічні Розриви: Чому Метали Згинаються, а Не Ламаються

Загадка теоретичної міцності

Кристал без дефектів повинен вимагати напруження при зсуві приблизно τ ≈ G/(2π), де G – модуль зсуву, щоб одночасно зрушувати площини атомів. Виміряні значення міцності розриву в реальних металах зазвичай значно менші, ніж це передбачення в сотні або тисячі разів. Рішення, запропоноване незалежно Тейлором, Ороуаном та Поляні у 1934 році, полягає в тому, що кристали не зрушуються одночасно – дислокація дозволяє атомам зміщувати один ряд за раз, подібно до того, як ватажок пересуває килим з мінімальними зусиллями. Цей простий момент узгодив теорію з експериментом і заклав основи для сучасної теорії дислокацій.

Кінець і звивисті відхилення, а також вектор Буґера

Відхилення – це одновимірний дефект, при якому регулярний порядок решітки локально порушено вздовж лінії, що проходить через матеріал. Кінцеве відхилення характеризується додатковим півплоском атомів, втиснутим у решітку; звивисте відхилення розрізає площини у безперервну спіраль. Більшість відхилень у реальних металах є змішаними, і мають обидва характеристики вздовж їхньої довжини.

Кожне відхилення характеризується вектором Буґера b, який визначається шляхом прокладання замкнутого контуру навколо лінії відхилення та вимірювання прогалини – порушення закриття – порівняно з тим самим контуром у ідеальному кристалі. Для кінцевого відхилення b перпендикулярний до лінії; для звивите відхилення b паралельний їй.

Системи зсуву та закон Шмідта

Деформація відбувається під дією зсувів, які рухаються по певних площинах і напрямах, що називаються системами зсуву – зазвичай це найбільш щільно упаковані площини та напрямки найближчих шарів, оскільки вони забезпечують атомам найплавніший шлях для перерозподілу. Напруга, яка безпосередньо спричиняє зсув, є компонентою, розкладеною на систему зсуву, що відображається у законі Шмідта:

τ = σ · cos(φ) · cos(λ) σ = прикладена напруга φ = кут між віссю навантаження та нормаллю до площини зсуву λ = кут між віссю навантаження та напрямком зсуву

τ = σ · cos(φ) · cos(λ)

σ = applied stress
φ = angle between loading axis and slip-plane normal
λ = angle between loading axis and slip direction

Помноження, переплетення та твердіння під навантаженням

Дефекти (розриви) не зникають повністю, коли метал деформується — вони множаться, часто через джерело Франка-Ріда, де зафіксований фрагмент вигинається та повторно випускає нові петлі. Щільність розривів може зростати на кілька порядків величини під час інтенсивних пластичних деформацій. У процесі множення вони переплітаються та накопичуються в місцях перешкод, що ускладнює подальше ковзання — мікроскопічна основа твердіння під навантаженням. Нагрівання частково зворотньо цьому явищу: під час відпуску розриви упорядковуються та частково знищуються, вивільняючи накопичену енергію та пом’якшуючи метал. Балансування твердіння під навантаженням з відновленням, за допомогою температури та історії деформації, є основним інструментом, який використовують металурги для регулювання механічних властивостей — від холоднокатаного сталі для кузовів автомобілів до сумішевої стійкої алюмінієвих сплавів, де розсіяні частинки перешкоджають ковзанню розривів для досягнення високої міцності при низькій вазі.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.